圪洞水文站雷达水位计比测分析

 

1 流域与测站概况

    1.1 流域概况

    北川河位于吕梁山中段西翼，是黄河一级支流三川河流域的重要支流。该河发源于方山县开府乡赤坚岭村，在大武镇武回庄村出方山县境进入离石，方山境内干流长80 km，流域面积1 302.58 km2。武回庄至离石县城西侧王家塔为东川河汇流入口，干流长14.5 km；王家塔至离石交口镇为中阳南川河汇流口，出境进入柳林县，干流长10 km；离石境内北川干流长度24.5 km，流域面积279.88 km2。北川河从北向南，沿途有开府沟、马坊沟、阳圪台沟、南阳沟、圪洞沟、峪口沟、店坪沟等七大支流汇入，主河道纵坡6.4‰，糙率0.05，河床基质主要为砂和砾石，稳定性

较好。

    1.2 测站概况

    圪洞水文站地处方山县圪洞镇圪洞村，其地理坐标为：东经111°14′，北纬37°53′。水文站控制流域面积749 km2，主河道长度41.7 km，河道纵坡8.44‰。主要支流有开府沟、马坊沟和冯家庄沟，流域形状系数0.431。该水文站1957年1月由黄河水利委员会在峪口镇南村设立，命名峪口水文站；1960年4月，上迁20 km至如今的圪洞镇，改名为圪洞水文站。1965年4月，黄委会将该站移交山西省水文总站观测与管理。

    圪洞水文站为变质岩土石山林灌区的区域性代表站，主要任务：观测研究变质岩土石山区降水、径流与泥沙关系，分析其变化规律；收集各水文要素，为水利工程设计的水文计算提供可靠参数；为下游横泉水库以及沿岸村镇与居民，及时提供雨情、水情、土壤墒情信息，保护人民群众的生命财产安全。该水文站既是当地防汛抗旱、水利建设和水资源管理的“耳目”、“前哨”与“尖兵”，也是当地经济社会发展的重要公益性基础事业单位。

 

2 开展雷达水位计比测目的

    随着水文观测现代化建设步伐的加快，实现水位观测自动化成为必然。为了提高水文测验的自动化水平，减轻野外观测人员的劳动强度，保证测验精度，2011年，我局给圪洞站配备了1台SEBAPLUS雷达水位计。通过新型仪器自动观测与传统人工观测方法的比测分析，可为雷达水位计的应用提供依据，从而缩短测报历时，提高工作效率，实现水文测验自动化、数字化水平；同时，可以校验雷达水位计由于应用经验不足而带来的观测误差，从而提高观测精度，保证测验资料准确可靠。

 

3 雷达水位计的工作原理及特点

    3.1 雷达水位计简介

    雷达水位计的传感器，是利用脉冲雷达波测距原理进行水位测量的。由于雷达波的传播速度基本不受温度、湿度、气压、雨雪天气、风沙天气等环境条件影响，性能相当稳定，使得雷达水位计在其正常工作范围内具有相当高的精度，且不需要太多的日常维护。目前，雷达水位计在欧美等发达国家水文观测中得到了广泛应用，大有逐渐取代超声波水位计之势。SEBAPLUS雷达水位传感器，是由德国SEBA公司生产的一种新型非接触水位测量仪器，可用于有污泥、浮木、落叶、污水、盐水等水域的水位测量。该仪器结构简单，体积较小，可以安装在桥上，不受气温、湿度影响，能耗很少，测量间隔短，无死角，安装空间小。测量系统的基本结构是一个单独的传感器，可以配备数据存储装置MDS-Dipper，也可以配备远距离数据传送装置（GSM网，固定网），是一种高精度的水位测量仪器。

    3.2 雷达水位计工作原理

    当雷达水位计的传感器发射微波脉冲信号后，被测量水面会反射信号而被传感器接收，并传送到综合评价系统中进行数据处理。由于脉冲的运行和离水面的距离直接相关，因此，可计算出传播距离，进而计算出水域水位。

    3.3 雷达水位计技术指标

    （1）测量范围：0-20 m，30 m，70 m；

    （2）测量精度：±3 mm；

    （3）分辨力：1 mm；

    （4）适用温度范围：-40℃-70℃；

    （5）输出电流：4-20 mA模拟输出或0，4，… 2V电压输出；

    （6）额定功耗：22.4 mA；

    （7）发射角度：5°；

    （8）使用电源：12VDC 电池或220VAC/12 -24VDC。

    3.4 雷达水位计优点和缺点

    优点：一是雷达水位计的传感器测量属非接触型测量，与水质无关，不需要水位井，测量成果精度高；二是无人较长时间值守，减轻劳动强度；三是无机械磨损，寿命长，仪器安装维护简单，测量成本低；四是测量过程对水流无影响，可连续在线采集数据进行信号传输。

    缺点：在封冻期需要破冰测量。

 

4 资料的选取及分析依据

    4.1 资料的选取

    为了确保分析成果的科学性和合理性，我们将人工观测记载和雷达水位观测结果数据一一进行对比分析。根据圪洞站汛期水势情况，我们选取2017年7月23日0时至8月1日16时的洪水过程时段。

    人工观测次数严格按照《水位观测标准》（GB/T50138-2010）要求，除每日0时、4时、8时、12时、16时、20时必须进行定点观测外，还进行了加测。雷达水位计探头安装高程，采用莱卡TS06全站仪测得。

    比测前对自记水位计的水位进行校测，同时校测了人工观测水尺的零点高程，以保证对比观测的条件统一标准。

    4.2 分析统计依据

    严格按照《水位观测标准》第6.2.2比测要求，按水位变幅分几个测段分别进行，每段比测数应在30次以上。比测结果应符合下列规定：一般水位站，置信水平95%的综合不确定度应为3 cm，系统误差应为±1 cm。

 

5 分析计算及结果

    5.1 计算方法

    5.1.1 系统不确定度按下式计算：

    式中：Pyi———自动监测水位，m；

          Pi———人工校测水位，m；

          N———校测次数。

 

    5.1.2 随机不确定度按下式计算：

 

    5.1.3 综合不确定度按下式计算：

 

    5.2 分析计算结果

    圪洞站本次水位比测次数为108次，观测数据见表1，分析计算结果见表2。

 

表1 圪洞站自记水位与人工观测水位比对表

 

续表1 圪洞站自记水位与人工观测水位比对表

 

 

 表2 圪洞站不确定度计算结果表

 

    置信水平95%的综合不确定度小于3 cm，故比测合格，雷达水位计可使用。

 

6 结论与建议

    从本次对比观测分析结果看，自记水位设备运转正常，在探头着流的情况下，系统误差和综合不确定度均符合水位观测规范，满足防汛和水文资料整编要求。如果测流断面的河势发生大的变化，河槽左右摆动，容易使雷达水位计探头脱流。因此，对断面河床不稳定的测流站，建议采用雷达水位计与人工水位观测相结合的方式进行水位观测。人工观测主要用于在自记水位计脱流或设备出现故障时进行的补测。

    建议加强水文信息化专业人才的培养和水文自动化系统管理维护队伍建设，为水文自动化运行管理提供可靠技术支撑。